Große Sprünge dank kleiner Sensoren
Wichtige, bislang aber nicht zugängliche, Moleküle über NMR-Spektroskopie analysieren
Ein internationales Forschungsteam unter Beteiligung der Arbeitsgruppe von Biophysiker Dr. Manuel Etzkorn von der Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf (HHU) hat ein Verfahren entwickelt, um wichtige, bislang aber nicht zugängliche, Moleküle über die NMR-Spektroskopie analysieren zu können. Wie hierfür eine einfachere und effiziente Ausstattung der Moleküle mit Methylgruppen als Sensoren gelingen kann, beschreiben sie in der Zeitschrift Angewandte Chemie.
Illustration der Syntheseprodukte, welche z.B. mittels eukaryotischer Zellkultur in Proteine eingebaut werden können. Die erhaltenen Methylsensoren sorgen dort für einen starken NMR-Signalanstieg.
HHU / Dr. Manuel Etzkorn
Um das Leben auf molekularer Ebene zu verstehen, müssen die zentralen Bausteine wie zum Beispiel Proteine in einer möglichst natürlichen Form und Umgebung untersucht werden können. Hierzu bietet die Kernmagnetische-Resonanzspektroskopie (kurz NMR für „Nuclear Magnetic Resonance“) einzigartige Möglichkeiten.
Besonders geeignete Sensoren für diese Methode sind sogenannte Methylgruppen innerhalb der Proteine; diese bestehen aus einem Kohlenstoff- und drei Wasserstoffatomen. Um das Signal dieser Sensoren ausreichend zu verstärken, müssen große Teile des restlichen Proteins mittels aufwendiger Verfahren mit Deuteriumatomen angereichert werden. Deuterium ist ein Wasserstoffisotop, in dessen Atomkern sich neben einem Proton noch ein Neutron befindet. Eine solche Anreicherung war jedoch bislang nur mittels spezieller Herstellungsplattformen möglich.
Systeme, welche sich nicht durch diese Plattformen herstellen lassen, konnten daher bisher oft gar nicht oder nur sehr eingeschränkt mit der NMR-Spektroskopie untersucht werden. Insbesondere zählt hierzu eine ganze Reihe von therapeutisch besonders wichtigen Systemen, wie Antikörper oder die Klasse der sogenannten „G-Protein gekoppelten Rezeptoren“, auf welche ein sehr großer Teil moderner Medikamente einwirkt.
Ein Forschungsteam der HHU um Dr. Manuel Etzkorn vom Institut für Physikalische Biologie und vom Biomolekularen NMR-Zentrum (welches gemeinsam von der HHU und dem Forschungszentrum Jülich betrieben wird) hat zusammen mit Kollegen der Universität Sofia, der Harvard Medical School und dem Dana Faber Cancer Institut in Boston nun eine neue Methode entwickelt, mit der die benötigten Eigenschaften der Sensoren in allen gängigen Herstellungsplattformen eingebaut werden können. Das Syntheseverfahren ist erheblich einfacher und über 20-fach kostengünstiger als bisherige Ansätze, um Methylgruppen-Sensoren einzubauen, und es gelingt auch in bislang unzugänglichen Systemen.
Die Fachzeitschrift Angewandte Chemie hat die in der aktuellen Ausgabe vorgestellte Forschungsarbeit zur Titelgeschichte gemacht. Dies unterstreicht deren besondere Bedeutung für die Verbesserung biophysikalischer Grundlagenforschung sowie die daraus resultierende Entwicklung neuartiger Medikamente.
Dr. Etzkorn betont: „Die neue Methode wird es uns und anderen ermöglichen die Bausteine des Lebens in bislang ungeahnter Detailtiefe und in möglichst natürlichen Zuständen zu untersuchen.“
Originalveröffentlichung
A. Dubey, N. Stoyanov, T. Viennet, S. Chhabra, S. Elter, J. Borggräfe, A. Viegas, R. Nowak, N. Burdzhiev, O. Petrov, E. Fischer, M. Etzkorn, V. Gelev, H. Arthanari; "Local deuteration enables NMR observation of methyl groups in proteins from eukaryotic and cell-free expression systems"; Angew. Chem. Int. Ed.; 2021
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